(57)【要約】【課題】  接続界面強度の低下がなく、そり起因の未接続を生じず、必要とする熱疲労寿命を有するはんだコーティングされた電極パッドを有する半導体装置を提供する。【解決手段】  電極パッド１６と、電極パッド１６上に形成された金属層１７と、金属層１７上に形成された金属バンプ５とを有する半導体装置であって、金属層１７は、Ａｕを含み、金属バンプ５は、金属バンプの１電極パッド内の平均バンプ高さが単位面積当たりＨ＝１００μｍ以下であり、Ｓｎを主成分とするはんだからなり、金属バンプ５のはんだ中に溶融している金属層１７のＡｕの濃度が１．３×１０-3（Ｖｏｌ％）以下とし、さらに、金属層１７は、Ａｕに加えてＰｄを含む。この電極パッド１６上に金属バンプ５を形成する際のはんだコーティングを、ディップ方式およびはんだペースト印刷の組み合わせで行う。【選択図】  図２ 
2005353692.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極パッドと、前記電極パッド上に形成された金属層と、前記金属層上に形成された金属バンプとを有し、
前記金属層は、Ａｕを含み、
前記金属バンプは、前記金属バンプの１電極パッド内の平均バンプ高さが単位面積当たり１００μｍ以下であり、Ｓｎを主成分とするはんだからなり、
前記金属バンプのはんだ中に溶融している前記金属層のＡｕの濃度が１．３×１０-3（Ｖｏｌ％）以下である、ことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置において、
前記金属層は、前記Ａｕに加えてＰｄを含む、ことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項２記載の半導体装置において、
前記金属バンプは、前記金属バンプと前記金属バンプが接続されている電極パッドとの界面より２μｍ〜２０μｍの範囲内に、前記金属バンプの接続前に、前記電極パッド上に形成されていた前記金属層のＰｄと前記金属バンプとが反応して形成される化合物が連なるように存在していない、ことを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項２記載の半導体装置において、
前記金属バンプは、最高温度２１２℃〜２１７℃、１９８℃以上の保持時間４２ｓ以上の高温放置後に、前記金属バンプと前記金属バンプが接続されている電極パッドとの界面より２μｍ〜２０μｍの範囲内に、前記金属バンプの接続前に、前記電極パッド上に形成されていた前記金属層のＡｕと前記金属バンプとが反応して形成される化合物が連なるように存在していない、ことを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記半導体装置は、前記電極パッドが設けられた基板と、前記基板上に実装された半導体チップとを有し、
前記電極パッド上に形成された前記金属バンプが外部端子となる、ことを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記半導体装置は、前記電極パッドが設けられた半導体チップを有し、
前記電極パッド上に形成された前記金属バンプが外部端子となる、ことを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
電極パッド上に金属バンプを形成するバンプ形成工程を含み、
前記バンプ形成工程は、
前記電極パッド上にＡｕを含む金属層を形成する第１工程と、
前記電極パッドの前記金属層上にＳｎを主成分とするはんだを供給し、前記金属層と前記はんだとの界面からＡｕ−Ｓｎの化合物を除去する第２工程と、
前記化合物を除去した金属層上にはんだを供給して前記金属バンプを形成する第３工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
請求項７記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１工程は、前記電極パッド上に前記Ａｕに加えてＰｄを含む金属層を形成し、
前記第２工程は、前記金属層と前記はんだとの界面から前記Ａｕ−Ｓｎに加えてＰｄ−Ｓｎの化合物を除去する、ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項９】
請求項８記載の半導体装置の製造方法において、
前記第２工程は、溶融したはんだの中に前記電極パッド上の前記金属層を浸漬させて前記金属層のＡｕ、Ｐｄをはんだ中に溶解させ、前記金属層と前記はんだとを反応させて接続界面近傍のはんだ中のＡｕ−Ｓｎ、Ｐｄ−Ｓｎの化合物を除去することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
請求項８記載の半導体装置の製造方法において、
前記第２工程は、溶融したはんだを噴流により前記電極パッド上の前記金属層に接触させて前記金属層のＡｕ、Ｐｄをはんだ中に溶解させ、前記金属層と前記はんだとを反応させて接続界面近傍のはんだ中のＡｕ−Ｓｎ、Ｐｄ−Ｓｎの化合物を除去することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置およびその製造技術に関し、特に、小型化、薄型化に対応したパッケージ部品において、接続信頼性の低下しないはんだ接続部を得るための電極パッドに対するはんだのコーティング方法およびその方法に基づき作成されたパッケージ部品に適用して有効な技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話やＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）などのモバイル機器の小型化、高機能化が進んでおり、これに対応できる実装技術としてＢＧＡ（Ｂａｌｌ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）やＣＳＰ（Ｃｈｉｐ  Ｓｃａｌｅ  Ｐａｃｋａｇｅ）が多く用いられている。しかし、さらなる小型化、薄型化の要求から、はんだバンプの高さをも低背化したＬＧＡ（Ｌａｎｄ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）などの薄型パッケージが採用され始めている。しかし、薄型パッケージには、以下に述べるような問題点が存在する。
【０００３】
まず、パッケージが大型化した場合、パッケージ自身や実装基板のそりの影響が大きくなり、リフロー時にそり起因による未接続が発生する。また、薄型パッケージでは、接続に用いられるはんだ体積が少なくなるため、接続後のパッケージ／実装基板間距離が短くなり、パッケージと実装基板の線膨張係数の差に起因してはんだ接続部に発生する亀裂の進展速度が速くなるため、熱疲労寿命が短くなる。
【０００４】
さらに、近年、はんだのＰｂフリー化が進んでいる。接続信頼性が高くＰｂフリーはんだとして最も有力なはんだであるＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだは、融点が２１７℃であり、従来より用いられてきたＳｎ３７Ｐｂはんだの融点１８３℃より３０℃以上高いことから、リフロー温度を高くしなければならず、低耐熱性部品の搭載が困難であるという問題点があり、この問題を解決したＳｎ−Ｚｎ系やＳｎ−Ｉｎ系の低融点Ｐｂフリーはんだが用いられ始めている。しかし、この低融点はんだのうち、Ｓｎ−Ｚｎ系はんだを用いてＡｕを含むメタライズを持つパッドに接続した場合、接続界面の強度が低下することが分かっている。
【０００５】
ここで、本発明者が本発明の前提として検討した結果を説明する。リフロー温度とリフロー時間を変化させ、Ａｕ／Ｐｄ／無電解Ｎｉ−Ｐめっきメタライズを持つパッドにＳｎ８Ｚｎ３Ｂｉはんだボールを接続させたサンプルに対し、せん断試験により接続界面の強度を評価した結果を図１２に示す。このとき、せん断試験は、（ａ）に示すように、接続界面に負荷がかかりやすいようにするためにサンプルを２５°傾け、また４ｍｍ／ｓと高速でせん断している。この試験評価において、（ｂ）の２５０℃、（ｃ）の２３０℃、（ｄ）の２１０℃の結果から、リフロー条件の高温長時間側において、せん断強度が低下していることが分かる。
【０００６】
また、今回評価した全ての条件において、はんだ／メタライズ界面で破壊が発生するものが存在した。Ｓｎ３Ａｇ０．５ＣｕはんだをＡｕ／Ｐｄ／無電解Ｎｉ−Ｐめっきメタライズを持つパッドに接続した場合のＳＥＭによる接続界面の断面観察結果を図１３に示す。また、Ｓｎ８Ｚｎ３Ｂｉはんだを同様に、Ａｕ／Ｐｄ／無電解Ｎｉ−Ｐめっきタライズを持つパッドに接続した場合のＳＥＭによる接続界面の断面観察結果を図１４（ａ），（ｂ），（ｃ）に示す。図１３に示すように、Ｓｎ３Ａｇ０．５Ｃｕはんだを接続した場合、はんだ／メタライズ界面にはＳｎ−Ｃｕ−Ｎｉ系の化合物が形成されており、はんだと無電解Ｎｉ−Ｐめっきが反応している。しかし、図１４に示すように、Ｓｎ８Ｚｎ３Ｂｉはんだを接続した場合、接続界面にはＡｕ−Ｚｎ化合物およびＰｄ−Ｚｎ化合物が形成され、はんだが無電解Ｎｉ−Ｐめっきと反応していないことが分かる。たとえば、非特許文献１、非特許文献２にも、Ｓｎ８Ｚｎ３ＢｉはんだとＡｕ／Ｎｉめっきメタライズの接続界面にＡｕ−Ｚｎ化合物が形成されている場合に接続信頼性が低下することが示されている。
【０００７】
また、薄型パッケージに対応できると考えられるバンプ形成技術として、たとえば非特許文献３によれば、めっきによりバンプの代わりに厚いＮｉコアを作成し、このＮｉコア上にディップによりはんだを薄く供給し、はんだバンプを形成する方法がある。この方法により、パッケージ／実装基板間距離が長くなり、熱疲労寿命を長くすることができる。また、メタライズにＡｕやＰｄが存在しないため、Ｓｎ８Ｚｎ３Ｂｉはんだにより接続しても、接続界面の強度低下の原因となるＡｕ−Ｚｎ、Ｐｄ−Ｚｎ化合物が形成されない。しかし、このバンプ形成方法ではパッケージのそりによる未接続の発生を防止する効果は小さく、また、このＮｉコアの作成方法はめっきによるものであり、パッケージ／実装基板間距離を長くする場合には、Ｎｉコアの形成時間が長くなるという欠点がある。
【非特許文献１】山口・他；「Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉはんだを用いたＣＳＰ接合部の組織と継ぎ手特性−Ｎｉ／Ａｕめっきの影響−」，Ｍａｔｅ２００３（２００３），ｐｐ．３０９−３１４
【非特許文献２】十河・他；「Ｓｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉはんだを用いたＣＳＰ実装における継ぎ手信頼性に及ぼす界面構造の影響」，ＭＥＳ２００３（２００３），ｐｐ．５７−６０
【非特許文献３】畑田；「無電解めっき方式による異方性Ｎｉバンプ形成とディップ方式によるはんだバンプ形成技術の検討」，ＭＥＳ２００３（２００３），ｐｐ．２７２−２７５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上記問題を解決する方法として、本発明者は、電極パッド上にあらかじめはんだをある程度の厚さにコーティングしておく構造を考えた。このはんだコーティング方式による構造を図１５（ａ）に示す（比較のために、はんだボール接続によるＢＧＡ接続方式による構造を図１５（ｂ）に示す）。この構造では、ＬＧＡに比べて接続するためのはんだ量が増加するため、パッケージのそりによる未接続の発生を抑制することができ、またパッケージ／実装基板間距離が長くなり、熱疲労寿命を長くすることができる。さらには、パッドのメタライズのうち、ＡｕやＰｄをはんだ中に溶解させることができ、Ｓｎ−Ｚｎ系はんだを接続した場合に接続界面にＡｕ−ＺｎやＰｄ−Ｚｎ化合物が形成され、接続界面の強度が低下することを抑制できる。
【０００９】
しかし、はんだをコーティングする構造の場合、コーティングプロセスが課題である。はんだボールやはんだペースト印刷による場合、パッドのメタライズにＡｕやＰｄを含んでいる場合において、はんだ中にＡｕやＰｄを溶解させ、はんだ／メタライズ接続界面からＡｕおよびＰｄを除去することは可能である。しかし、接続界面近傍のはんだ中にはＡｕ−Ｓｎ、Ｐｄ−Ｓｎの化合物が集まって存在し、結果的に接続界面の強度が低下し、界面破壊が生じやすくなる。よって、接続界面近傍の化合物を除去可能なプロセスである、ディップ方式、フローはんだ方式などが候補として考えられるが、これらの方式の場合、コーティングされるはんだ量がパッド面積に依存するため、今後、ファインピッチ化した場合にはパッケージや実装基板のそり起因による未接続発生を防止し、かつ必要とする熱疲労寿命を有することのできるパッケージ／実装基板間距離を確保するはんだ量を供給できない。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、はんだコーティングを、ディップ方式およびはんだペースト印刷の組み合わせで行うことにより、接続界面強度の低下がなく、そり起因の未接続を生じず、必要とする熱疲労寿命を有するはんだコーティングされた電極パッドを有する半導体装置を得ることができる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、電極パッドと、電極パッド上に形成された金属層と、金属層上に形成された金属バンプとを有する半導体装置に適用されるものである。特に、金属層は、Ａｕを含み、金属バンプは、金属バンプの１電極パッド内の平均バンプ高さが単位面積当たり１００μｍ以下であり、Ｓｎを主成分とするはんだからなり、金属バンプのはんだ中に溶融している金属層のＡｕの濃度が１．３×１０-3（Ｖｏｌ％）以下とするものである。さらに、金属層は、Ａｕに加えてＰｄを含むものである。
【００１２】
さらに、本発明の半導体装置において、金属バンプは、金属バンプと金属バンプが接続されている電極パッドとの界面より２μｍ〜２０μｍの範囲内に、金属バンプの接続前に、電極パッド上に形成されていた金属層のＰｄと金属バンプとが反応して形成される化合物が連なるように存在していないものである。あるいは、金属バンプは、最高温度２１２℃〜２１７℃、１９８℃以上の保持時間４２ｓ以上の高温放置後に、金属バンプと金属バンプが接続されている電極パッドとの界面より２μｍ〜２０μｍの範囲内に、金属バンプの接続前に、電極パッド上に形成されていた金属層のＡｕと金属バンプとが反応して形成される化合物が連なるように存在していないものである。
【００１３】
具体的に、本発明の半導体装置は、電極パッドが設けられた基板と、基板上に実装された半導体チップとを有し、電極パッド上に形成された金属バンプが外部端子となるようなパッケージ構造に適用されるものである。あるいは、電極パッドが設けられた半導体チップを有し、電極パッド上に形成された金属バンプが外部端子となるようなウェハレベルのパッケージ構造に適用されるものである。
【００１４】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、電極パッド上に金属バンプを形成するバンプ形成工程を含み、バンプ形成工程は、電極パッド上にＡｕを含む金属層を形成する第１工程と、電極パッドの金属層上にＳｎを主成分とするはんだを供給し、金属層とはんだとの界面からＡｕ−Ｓｎの化合物を除去する第２工程と、化合物を除去した金属層上にはんだを供給して金属バンプを形成する第３工程とを有するものである。さらに、第１工程は、電極パッド上にＡｕに加えてＰｄを含む金属層を形成し、第２工程は、金属層とはんだとの界面からＡｕ−Ｓｎに加えてＰｄ−Ｓｎの化合物を除去するものである。
【００１５】
具体的に、本発明の半導体装置の製造方法において、第２工程は、溶融したはんだの中に電極パッド上の金属層を浸漬させて金属層のＡｕ、Ｐｄをはんだ中に溶解させ、金属層とはんだとを反応させて接続界面近傍のはんだ中のＡｕ−Ｓｎ、Ｐｄ−Ｓｎの化合物を除去するか、あるいは、溶融したはんだを噴流により電極パッド上の金属層に接触させて金属層のＡｕ、Ｐｄをはんだ中に溶解させ、金属層とはんだとを反応させて接続界面近傍のはんだ中のＡｕ−Ｓｎ、Ｐｄ−Ｓｎの化合物を除去するようにしたものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、はんだコーティングを、ディップ方式およびはんだペースト印刷の組み合わせで行うことにより、接続界面強度の低下がなく、そり起因の未接続を生じず、必要とする熱疲労寿命を有するはんだコーティングされた電極パッドを有する半導体装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００１８】
まず、図１および図２により、本発明の一実施の形態による半導体装置の構成の一例を説明する。それぞれ、図１は半導体装置の断面図、図２は金属バンプの寸法の説明図、を示す。
【００１９】
本実施の形態の半導体装置は、図１に示すように、パッケージ基板１と、パッケージ基板１上に実装された半導体チップ２と、パッケージ基板１上のパッドと半導体チップ２上の電極とを電気的に接続するボンディングワイヤ３と、パッケージ基板１上に実装された半導体チップ２およびボンディングワイヤ３などの電気的な露出部分を封止するモールド樹脂４と、パッケージ基板１の裏面に設けられた金属バンプ５などから構成され、金属バンプ５が外部端子となるようなパッケージ構造となっている。
【００２０】
特に、本実施の形態の半導体装置においては、詳細は後述するが、パッケージ基板１には、金属バンプ５が設けられる部分に電極パッド１６が形成され、この電極パッド１６上にはＡｕ、Ｐｄを含む金属層１７が形成され、この金属層１７上に金属バンプ５が形成されている。金属バンプ５は、たとえば一例として、図２に示すように、金属バンプ５の１電極パッド内の平均バンプ高さが単位面積当たりＨ＝１００μｍ以下であり、Ｓｎを主成分とするはんだからなり、金属バンプ５のはんだ中に溶融している金属層１７のＡｕの濃度が１．３×１０-3（Ｖｏｌ％）以下となっている。
【００２１】
さらに、金属バンプ５は、たとえば一例として、図２に示すように、金属バンプ５と金属バンプ５が接続されている電極パッド１６との界面よりＬ１＝２μｍ〜Ｌ２＝２０μｍの範囲内に、金属バンプ５の接続前に、電極パッド１６上に形成されていた金属層１７のＰｄと金属バンプ５とが反応して形成される化合物が連なるように存在していないものである。あるいは、金属バンプ５は、たとえば一例として、最高温度２１２℃〜２１７℃、１９８℃以上の保持時間４２ｓ以上の高温放置後に、金属バンプ５と金属バンプ５が接続されている電極パッド１６との界面よりＬ１＝２μｍ〜Ｌ２＝２０μｍの範囲内に、金属バンプ５の接続前に、電極パッド１６上に形成されていた金属層１７のＡｕと金属バンプ５とが反応して形成される化合物が連なるように存在していないものである。
【００２２】
次に、図３〜図５により、本実施の形態による半導体装置の製造方法の一例を説明する。それぞれ、図３は半導体装置の製造方法の概略のフロー図、図４はバンプ形成工程の詳細のフロー図と断面図（パッケージ基板の要部）、図５はバンプ形成工程の変形例の断面図（パッケージ基板の要部）、を示す。
【００２３】
本実施の形態の半導体装置の製造方法は、図３に示すように、パッケージ基板１と半導体チップ２などを用意した後に、パッケージ基板１上に半導体チップ２を実装するダイボンディング工程（Ｓ１）、パッケージ基板１上のパッドと半導体チップ２上の電極とをワイヤ３により電気的に接続するワイヤボンディング工程（Ｓ２）、パッケージ基板１上に実装された半導体チップ２およびワイヤ３などの電気的な露出部分をモールド樹脂４により封止する樹脂封止工程（Ｓ３）、パッケージ基板１の裏面に金属バンプ５を設けるバンプ形成工程（Ｓ４）などを経て、前記図１に示したような半導体装置が製造される。
【００２４】
特に、バンプ形成工程（Ｓ４）は、図４に示すように、ソルダレジスト１１、絶縁樹脂１２、Ｃｕなどの内層導体１３、絶縁樹脂１４、ソルダレジスト１５などからなる積層構造のパッケージ基板１のＣｕなどの電極パッド１６上に、Ｎｉめっき、Ｐｄめっき、Ａｕめっきによる金属層１７を形成する工程（Ｓ４１）と、電極パッド１６の金属層１７上にＳｎを主成分とするはんだ１８を供給し、金属層１７とはんだ１８との界面からＡｕ−Ｓｎ、Ｐｄ−Ｓｎの化合物を除去する工程（Ｓ４２）と、化合物を除去した金属層１７上に追加で新たにはんだ１９を供給して金属バンプ５を形成する工程（Ｓ４３）などを経て、電極パッド１６上にはんだ１８，１９からなる金属バンプ５が形成される。
【００２５】
すなわち、このバンプ形成工程は、電極パッド１６にはんだコーティングを行う構造において、まず、ディップ方式などにより金属層１７のＡｕ、Ｐｄをはんだ１８中に溶解させ、また、接続界面近傍のはんだ１８中のＡｕ−Ｓｎ、Ｐｄ−Ｓｎの化合物を除去する。次に、はんだペースト印刷などにより、パッケージや実装基板のそり起因による未接続発生を防止し、かつ必要とする熱疲労寿命を持つことのできるパッケージ／実装基板間距離を確保する量のはんだ１９を供給する。これにより、接続界面強度の低下がなく、そり起因の未接続を生じず、必要とする熱疲労寿命を有するはんだコーティングを得ることができる。
【００２６】
具体的に、金属層１７とはんだ１８との界面から化合物を除去する工程（Ｓ４２）では、溶融したはんだ１８の中に電極パッド１６上の金属層１７を浸漬させて金属層１７のＡｕ、Ｐｄをはんだ中に溶解させ、金属層１７とはんだ１８とを反応させて接続界面近傍のはんだ中のＡｕ−Ｓｎ、Ｐｄ−Ｓｎの化合物を除去する方法が用いられる。あるいは、溶融したはんだ１８を噴流により電極パッド１６上の金属層１７に接触させて金属層１７のＡｕ、Ｐｄをはんだ中に溶解させ、金属層１７とはんだ１８とを反応させて接続界面近傍のはんだ中のＡｕ−Ｓｎ、Ｐｄ−Ｓｎの化合物を除去する方法が用いられる。この際に、たとえば一例として、リフローを３回まで保証するために、実験結果から金属バンプ５のはんだ中に溶融している金属層１７のＡｕの濃度が１．３×１０-3（Ｖｏｌ％）以下となっている。
【００２７】
なお、バンプ形成工程（Ｓ４）において、パッケージ基板１の電極パッド１６上に、金属層を３層構造ではなく、Ｎｉめっき、Ａｕめっきによる２層構造の金属層１７ａを形成する場合は、図５のようになり、この場合も同様に、電極パッド１６の金属層１７ａ上にはんだ１８を供給することによって、金属層１７ａとはんだ１８との界面からＡｕ−Ｓｎの化合物を除去することができ、そして、化合物を除去した金属層１７上にはんだ１９を供給して金属バンプ５を形成することができる。
【００２８】
次に、図６〜図１０により、本実施の形態による半導体装置において、はんだコーティング構造における接続界面強度の検討結果を説明する。それぞれ、図６ははんだコーティング構造の接続界面強度の検討を行うために用いたパッケージ基板およびメタライズの仕様の説明図、図７ははんだ種、はんだボール径、ペースト印刷マスクの開口部形状の説明図、図８ははんだコーティング条件の説明図、図９は検討結果の説明図、図１０は各コーティングプロセスにおける接続界面強度とリフロー条件との関係をまとめた説明図、をそれぞれ示す。
【００２９】
図６〜図８に示すように、はんだのコーティングプロセスについて、比較のために、（１）ＢＧＡ接続を想定してはんだボールを接続したもの、（２）はんだペースト印刷のみによるもの、（３）ディップの後にはんだペースト印刷を行ったもの、の３種類について検討した。接続界面強度評価はせん断試験により行い、接続界面に負荷がかかりやすいようにするため、サンプルを２５°傾け、また４ｍｍ／ｓと高速でせん断した。また、（２）、（３）に関して、コーティング後の状態では、せん断試験を行うだけのはんだバンプの高さがないため、２３０℃、１０ｓのリフロー条件ではんだボールをはんだコーティング部上に接続し、せん断試験を行った。また、接続界面の状態を調べるためにＳＥＭによる断面観察を行い、ＥＤＸ分析により化合物の同定を行った。
【００３０】
この際に、評価に用いたパッケージ基板およびメタライズの仕様は、図６に示すように、パッド数＝２５６、パッドピッチ＝１．２７ｍｍ、パッド径＝０．６２ｍｍ、メタライズ構成＝Ａｕ（０．７５μｍ）／Ｐｄ（０．２μｍ）／無電界Ｎｉ−Ｐ（８μｍ）、とした。
【００３１】
また、評価に用いたはんだ種、はんだボール径、ペースト印刷マスクの開口部形状は、図７に示すように、はんだ種（ボール、ペースト、ディップ）＝Ｓｎ３Ａｇ０．５Ｃｕ、はんだボール径＝０．４ｍｍ、印刷マスク開口部形状＝φ０．８ｍｍでマスク厚０．１ｍｍ、とした。
【００３２】
はんだのコーティング条件は、図８に示すように、（１）はんだボール接続では、リフロー温度＝２３０℃，２４０℃，２５０℃、リフロー時間＝３０ｓ，６０ｓ，１２０ｓ，１８０ｓとし、（２）はんだペースト印刷では、リフロー温度＝２３０℃，２４０℃，２５０℃、リフロー時間＝３０ｓ，６０ｓ，１２０ｓ，１８０ｓとし、（３）ディップ＋はんだペースト印刷では、ディップ＝２２８℃×３０ｓ、リフロー温度＝２３０℃，２４０℃，２５０℃、リフロー時間＝３０ｓ，６０ｓ，１２０ｓ，１８０ｓとした。
【００３３】
この検討の結果、図９に示すように、２４０℃リフローの場合、（１）はんだボール接続では、せん断荷重はすべて１５００ｇ以上であり、接続界面の強度低下は見られなかった。また、はんだがＳｎ３Ａｇ０．５Ｃｕであるため、接続界面にはＳｎ−Ｃｕ−Ｎｉ系化合物が成長していた。ところが、（２）はんだペースト印刷では、リフロー時間の長時間側で接続界面強度の低下が見られた。また、断面観察結果から、接続界面近傍のはんだ中にＰｄ−Ｓｎの化合物が多数存在していることが分かった。しかし、（３）ディップ＋はんだペースト印刷では、（１）と同様に接続界面強度は低下しておらず、また（２）で見られたようなＰｄ−Ｓｎの化合物も、電極パッド１６との界面よりＬ１＝２μｍ〜Ｌ２＝２０μｍの範囲内の接続界面近傍に存在していなかった。
【００３４】
この結果をまとめると、図１０に示すように、リフロー温度を縦軸に、リフロー時間を横軸にし、各コーティングプロセスにおける接続界面強度とリフロー条件との関係は、（３）ディップ＋はんだペースト印刷を行ったものは、ほぼ（１）はんだボール接続を行ったものと同等の接続界面強度を持っていることが分かる。よって、このはんだコーティング方法により、接続界面強度の低下がなく、そり起因の未接続を生じず、必要とする熱疲労寿命を有するはんだコーティングを得ることができる。
【００３５】
続いて、はんだコーティング構造における高温放置後の接続界面強度の検討結果を説明する。このはんだコーティング構造における高温放置後の接続界面強度の検討の評価に用いたサンプルおよびはんだコーティング条件は、前記図６〜図８と同様であった。
【００３６】
はんだのコーティングプロセスについて、比較のために、（１）ＢＧＡ接続を想定してはんだボールを接続したもの、（２）はんだペースト印刷のみによるもの、（３）ディップの後にはんだペースト印刷を行ったもの、の３種類について検討した。それぞれはんだコーティング後、最高温度２１２℃（２１２℃〜２１７℃）、１９８℃以上、４２ｓの条件で高温放置したものに対し、接続界面の強度評価を行った。接続界面強度評価はせん断試験により行い、接続界面に負荷がかかりやすいようにするため、サンプルを２５°傾け、また４ｍｍ／ｓと高速でせん断した。また、（２）、（３）に関して、コーティング後の状態ではせん断試験を行うだけのはんだバンプの高さがないため、はんだボールを２３０℃、１０ｓのリフロー条件で接続し、せん断試験を行った。また、接続界面の状態を調べるためにＳＥＭによる断面観察を行い、ＥＤＸ分析により化合物の同定を行った。
【００３７】
この検討の結果から、２４０℃リフローの場合、（１）はんだボール接続では、接続界面の強度低下は見られなかった。ところが、（２）はんだペースト印刷では、リフロー時間の長時間側で接続界面強度の低下が見られた。しかし、（３）ディップ＋はんだペースト印刷では、（１）と同様に接続界面強度は低下しなかった。さらに、断面観察結果から、（２）で見られたようなＰｄ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｓｎの化合物も、電極パッド１６との界面よりＬ１＝２μｍ〜Ｌ２＝２０μｍの範囲内の接続界面近傍に存在していなかった。以上により、このはんだコーティング方法により、高温放置後においても接続界面強度の低下がなく、そり起因の未接続を生じず、必要とする熱疲労寿命を有するはんだコーティングを得ることができる。
【００３８】
以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
【００３９】
たとえば、前記実施の形態においては、基板上に実装された半導体チップをモールド樹脂により封止するパッケージ構造の半導体装置について説明したが、これに限らず、ウェハレベルのパッケージ構造についても適用可能である。すなわち、電極パッドが設けられた半導体チップを有し、この電極パッド上に形成された金属バンプが外部端子となるようなパッケージ構造にも適用することができる。
【００４０】
また、半導体装置のパッケージ構造については、図１１に示すような薄型積層パッケージ構造の半導体装置などにも適用可能であり、この構造では３段に積層されている。上段の部分は、パッケージ基板５１のパッドが金属バンプ５５と同じ側に設けられ、このパッケージ基板５１のキャビティ内に２つの半導体チップ５２ａ，５２ｂが積層されて実装され、図１と同様のワイヤボンディングにより、パッケージ基板５１上のパッドと各半導体チップ５２ａ，５２ｂ上の電極とがボンディングワイヤ５３で電気的に接続され、キャビティ内の半導体チップ５２ａ，５２ｂおよびボンディングワイヤ５３の部分がモールド樹脂５４により封止されている。中段の部分は、上段の部分と同じ構造（パッケージ基板６１、半導体チップ６２ａ，６２ｂ、ボンディングワイヤ６３、モールド樹脂６４、金属バンプ６５）である。下段の部分は、半導体チップ７２がフリップチップ構造からなり、パッケージ基板７１のパッドがキャビティ内に設けられ、このパッケージ基板７１のキャビティ内に半導体チップ７２がフリップチップボンディングにより実装されて電気的に接続され、半導体チップ７２が実装されたキャビティ内がモールド樹脂７４により封止されている。このような薄型積層パッケージ構造の半導体装置においても、各段の金属バンプ５５，６５，７５（７５はパッケージとしての金属バンプ）は、前記実施の形態と同様に、はんだコーティング方法により、接続界面強度の低下がなく、そり起因の未接続を生じず、必要とする熱疲労寿命を有するはんだコーティングを得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明の半導体装置およびその製造方法は、将来的にもモバイル機器の小型化、高機能化は進み続け、ファインピッチ化は今後も進むと考えられる技術に適用可能である。すなわち、接続に用いられる個々の接続部のはんだ体積は少量化し、接続界面近傍のはんだ中に多数の化合物が存在する系での接続が今後ますます要求されると考えられる。このような接続系に対して本発明は有効なはんだ接続方法として提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施の形態による半導体装置を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態による半導体装置において、金属バンプの寸法を示す説明図である。
【図３】本発明の一実施の形態による半導体装置の製造方法の概略を示すフロー図である。
【図４】本発明の一実施の形態による半導体装置の製造方法において、バンプ形成工程の詳細を示すフロー図と断面図である。
【図５】本発明の一実施の形態による半導体装置の製造方法において、バンプ形成工程の変形例を示す断面図である。
【図６】本発明の一実施の形態による半導体装置において、はんだコーティング構造の接続界面強度の検討を行うために用いたパッケージ基板およびメタライズの仕様を示す説明図である。
【図７】本発明の一実施の形態による半導体装置において、はんだコーティング構造の接続界面強度の検討を行うために用いたはんだ種、はんだボール径、ペースト印刷マスクの開口部形状を示す説明図である。
【図８】本発明の一実施の形態による半導体装置において、はんだコーティング構造の接続界面強度の検討を行うために用いたはんだコーティング条件を示す説明図である。
【図９】本発明の一実施の形態による半導体装置において、はんだコーティング構造の接続界面強度の検討結果を示す説明図である。
【図１０】本発明の一実施の形態による半導体装置において、各コーティングプロセスにおける接続界面強度とリフロー条件との関係をまとめた説明図である。
【図１１】本発明の一実施の形態による半導体装置の変形例を示す断面図である。
【図１２】（ａ）〜（ｄ）は本発明の前提として検討した半導体装置において、Ａｕ／Ｐｄ／無電解Ｎｉ−Ｐめっきメタライズを持つパッドにＳｎ８Ｚｎ３Ｂｉはんだボールを接続させたサンプルに対するせん断試験の評価結果を示す説明図である。
【図１３】本発明の前提として検討した半導体装置において、Ａｕ／Ｐｄ／無電解Ｎｉ−Ｐめっきメタライズを持つパッドにＳｎ３Ａｇ０．５Ｃｕはんだを接続した場合のＳＥＭによる接続界面の断面観察結果を示す図である。
【図１４】（ａ）〜（ｃ）は本発明の前提として検討した半導体装置において、Ａｕ／Ｐｄ／無電解Ｎｉ−Ｐめっきタライズを持つパッドにＳｎ８Ｚｎ３Ｂｉはんだをリフロー条件を変化させて接続した場合のＳＥＭによる接続界面の断面観察結果を示す図である。
【図１５】（ａ），（ｂ）は本発明の半導体装置に適用したはんだコーティング方式による構造と、比較のために説明したはんだボール接続によるＢＧＡ接続方式による構造を示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
１…パッケージ基板、２…半導体チップ、３…ボンディングワイヤ、４…モールド樹脂、５…金属バンプ、１１…ソルダレジスト、１２…絶縁樹脂、１３…内層導体、１４…絶縁樹脂、１５…ソルダレジスト、１６…電極パッド、１７，１７ａ…金属層、１８…はんだ、１９…はんだ、５１，６１，７１…パッケージ基板、５２ａ，５２ｂ，６２ａ，６２ｂ，７２…半導体チップ、５３，６３，７３…ボンディングワイヤ、５４，６４，７４…モールド樹脂、５５，６５，７５…金属バンプ。
【図１】
2005353692.tif 000003
【図２】
2005353692.tif 000004
【図３】
2005353692.tif 000005
【図４】
2005353692.tif 000006
【図５】
2005353692.tif 000007
【図６】
2005353692.tif 000008
【図７】
2005353692.tif 000009
【図８】
2005353692.tif 000010
【図１０】
2005353692.tif 000011
【図１１】
2005353692.tif 000012
【図１５】
2005353692.tif 000013
【図９】
2005353692.tif 000014
【図１２】
2005353692.tif 000015
【図１３】
2005353692.tif 000016
【図１４】
2005353692.tif 000017